Reduced Volume Expansion of Micron‐Sized SiOx via Closed‐Nanopore Structure Constructed by Mg‐Induced Elemental Segregation

纳米孔 材料科学 体积热力学 体积膨胀 纳米技术 化学工程 化学 热力学 物理 医学 内科学 工程类
作者
Di‐Xin Xu,Yuming Zhao,Hanxian Chen,Zhuo‐Ya Lu,Yifan Tian,Sen Xin,Ge Li,Yu‐Guo Guo
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (21) 被引量:5
标识
DOI:10.1002/anie.202401973
摘要

Abstract The inherently huge volume expansion during Li uptake has hindered the use of Si‐based anodes in high‐energy lithium‐ion batteries. While some pore‐forming and nano‐architecting strategies show promises to effectively buffer the volume change, other parameters essential for practical electrode fabrication, such as compaction density, are often compromised. Here we propose a new in situ Mg doping strategy to form closed‐nanopore structure into a micron‐sized SiO x particle at a high bulk density. The doped Mg atoms promote the segregation of O, so that high‐density magnesium silicates form to generate closed nanopores. By altering the mass content of Mg dopant, the average radii (ranged from 5.4 to 9.7 nm) and porosities (ranged from 1.4 % to 15.9 %) of the closed pores are precisely adjustable, which accounts for volume expansion of SiO x from 77.8 % to 22.2 % at the minimum. Benefited from the small volume variation, the Mg‐doped micron‐SiO x anode demonstrates improved Li storage performance towards realization of a 700‐(dis)charge‐cycle, 11‐Ah‐pouch‐type cell at a capacity retention of >80 %. This work offers insights into reasonable design of the internal structure of micron‐sized SiO x and other materials that undergo conversion or alloying reactions with drastic volume change, to enable high‐energy batteries with stable electrochemistry.
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